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        基于負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)(LUDV)的新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)

        2021-03-07 07:56:08呂秀梅王占武
        露天采礦技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:補(bǔ)償器換向閥節(jié)流

        姜 鵬,呂秀梅,2,王 濤,王占武

        (1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司,遼寧 阜新 123000;2.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,遼寧 阜新 123000;3.沈陽卓信機(jī)電設(shè)備有限公司,遼寧 沈陽 110000;4.遼寧北辰液壓氣動(dòng)有限公司,遼寧 阜新 123000)

        液壓挖掘機(jī)是一種在露天礦山連續(xù)開采中廣泛應(yīng)用的設(shè)備,具有高效連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前液壓挖掘機(jī)大多采用全液壓驅(qū)動(dòng)模式,為了節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度,以及使同步動(dòng)作的幾個(gè)執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)時(shí)互不干擾,較先進(jìn)的液壓挖掘機(jī)都采用了負(fù)載敏感泵與比例負(fù)載敏感多路閥技術(shù)。目前液壓挖掘機(jī)常用的流量分配系統(tǒng)可分為傳統(tǒng)的LS 負(fù)載敏感系統(tǒng)即壓力補(bǔ)償器位于換向閥前的閥前補(bǔ)償系統(tǒng)和壓力補(bǔ)償器位于換向閥閥后的負(fù)載獨(dú)立流量分配的LUDV 系統(tǒng)[2]。當(dāng)液壓挖掘機(jī)需要多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí),挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的流量超過液壓系統(tǒng)泵的最大流量(即流量飽和)時(shí),傳統(tǒng)的閥前補(bǔ)償系統(tǒng),負(fù)載較高側(cè)節(jié)流閥口兩端壓差下降,當(dāng)達(dá)不到壓力補(bǔ)償閥的設(shè)定壓力時(shí),壓力補(bǔ)償閥就會(huì)失去流量分配的作用,使得幾個(gè)機(jī)構(gòu)不能同時(shí)動(dòng)作,油液全部流向低負(fù)載的執(zhí)行元件,導(dǎo)致多個(gè)動(dòng)作時(shí),會(huì)出現(xiàn)爭油現(xiàn)象。因此,現(xiàn)在更多的工程機(jī)械采用LUDV 系統(tǒng),尤其在需要全液壓驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中,與LS 系統(tǒng)相比,LUDV 具有更好的抗流量飽和特性[3],當(dāng)流量不足時(shí),執(zhí)行元件的運(yùn)行相對速度根據(jù)各聯(lián)換向閥主閥芯的行程等比例地減少,不會(huì)有任何一個(gè)動(dòng)作出現(xiàn)停止現(xiàn)象。

        1 LUDV 多路閥工作原理

        1.1 LUDV 多路閥中壓力補(bǔ)償閥工作原理

        LS 多路閥系統(tǒng)與LUDV 多路閥系統(tǒng)不同之處在于LUDV 系統(tǒng)是先節(jié)流后補(bǔ)償。LUDV 系統(tǒng)是將壓力補(bǔ)償閥布置在換向閥可變節(jié)流口之后,由于液壓換向閥一般都是雙作用,有A、B 2 個(gè)油路,為了避免2 個(gè)油路都設(shè)置壓力補(bǔ)償閥,減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,因此將換向閥換向部分設(shè)在壓力補(bǔ)償閥之后[4]。LUDV 多路閥原理簡化圖如圖1。LUDV 多路閥結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖1 LUDV 多路閥原理簡化圖

        圖2 LUDV 多路閥結(jié)構(gòu)

        1)液流動(dòng)方向P 到A。液壓泵出口的液壓油進(jìn)入到換向閥的P 腔,通過換向閥主閥芯6 上的節(jié)流槽7 進(jìn)入到換向閥的P′腔,進(jìn)入P′腔的壓力油經(jīng)過壓力補(bǔ)償器4,作用于A 口側(cè)單向閥3,打開單向閥后進(jìn)入A 口側(cè)的Pc,然后壓力油通過換向閥主閥芯6 上的環(huán)槽11 進(jìn)入換向閥的A 口。

        2)油液流動(dòng)方向P 到B。液壓泵出口的液壓油進(jìn)入到換向閥的P 腔,通過換向閥主閥芯6 上的節(jié)流槽7 進(jìn)入到換向閥的P' 腔,進(jìn)入P' 腔的壓力油經(jīng)過壓力補(bǔ)償器4,作用于B 口側(cè)單向閥3,打開單向閥后進(jìn)入B 口側(cè)的Pc,然后壓力油通過換向閥主閥芯6 上的環(huán)槽11 進(jìn)入換向閥的B 口。

        3)負(fù)載反饋LS。每聯(lián)的負(fù)載反饋通道LS 之間互通。經(jīng)過換向閥后P'的壓力作用于壓力補(bǔ)償器閥芯的左側(cè),LS 反饋壓力和壓力補(bǔ)償器彈簧力共同作用于壓力補(bǔ)償器閥芯的右側(cè)。當(dāng)換向閥不工作時(shí),壓力補(bǔ)償閥的閥芯處于最右端,此時(shí)壓力油既不通往A、B,也不通往LS 油路,當(dāng)P 口壓力升高時(shí),壓力補(bǔ)償器閥芯將右移使P 口與A/B 相同,當(dāng)壓力繼續(xù)升高時(shí),閥芯將繼續(xù)右移,此時(shí)P′不經(jīng)過節(jié)流,直接與A/B 口相同,同時(shí)通過另一節(jié)流孔與LS 相通;當(dāng)多片多路閥同時(shí)工作時(shí),負(fù)載較低的壓力補(bǔ)償器只能處于開度較小的中位,P′與LS 口不通,P′經(jīng)節(jié)流后通向A/B,起均衡負(fù)載作用。因此,LS 壓力反饋通道可以檢測出多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的最高負(fù)載壓力,并將壓力反饋至負(fù)載敏感泵。

        1.2 LUDV 多路閥中壓力補(bǔ)償閥受力計(jì)算

        LUDV 系統(tǒng)簡化原理圖如圖3,pL1、pL2為液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力。

        圖3 LUDV 系統(tǒng)簡化原理圖

        換向閥出口壓力作用于壓力補(bǔ)償器左端,壓力補(bǔ)償器右端受壓力補(bǔ)償器的彈簧和最高負(fù)載壓力共同作用[5]。則對壓力補(bǔ)償器進(jìn)行受力分析如下:

        式中:pm1、pm2為換向閥1 和換向閥2 的出口壓力,Pa;pLmax為飽和壓力,Pa;Fs1、Fs2為壓力補(bǔ)償器的彈簧力,N;A1、A2為壓力補(bǔ)償器的閥芯壓力作用面積,cm2。

        在壓力補(bǔ)償閥的作用下:pm1=pm2

        式中:△p1、△p2為換向閥1 和換向閥2 前后兩端壓差,Pa;pp為泵出口壓力,Pa。

        此時(shí)△p1=△p2,所以即使各執(zhí)行元件負(fù)載壓力不等,各換向閥的進(jìn)出口壓差始終保持相等。負(fù)載壓力較低的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過壓力補(bǔ)償器的節(jié)流作用,獲得與負(fù)載較高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大小相同的壓力。這樣每一聯(lián)根據(jù)節(jié)流程度不同,產(chǎn)生不同的壓差,達(dá)到均衡負(fù)荷的目的,避免當(dāng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí),此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的流量超過液壓系統(tǒng)泵的最大流量(即流量飽和)時(shí),油液全部流向低負(fù)荷執(zhí)行器。進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量可以根據(jù)流量計(jì)算公式得出[6]:

        式中:Q 為通過閥的流量,m/s;Cd為流量系數(shù);A 為閥的面積,m2;ρ 為油液黏度,kg/m3;△p 為閥前后壓差,Pa。

        無論負(fù)載如何變化△p1=△p2,因此通過的流量分配閥進(jìn)入執(zhí)行元件的流量與負(fù)載無關(guān),只取決于節(jié)流閥的開口度從而保證了執(zhí)行元件的運(yùn)行相對速度根據(jù)各聯(lián)換向閥主閥芯的行程等比例地減少。因此,當(dāng)各執(zhí)行元件的動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作時(shí),各個(gè)執(zhí)行元件互不干擾,不會(huì)出現(xiàn)流量分配不均現(xiàn)象,能夠輕松地實(shí)現(xiàn)各復(fù)合動(dòng)作平穩(wěn)的進(jìn)行[7]。

        2 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)

        由于LUDV 系統(tǒng)多路閥的出現(xiàn),改變了傳統(tǒng)挖掘機(jī)復(fù)雜的多泵合流控制機(jī)制,使得單泵與LUDV多路閥的負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)挖掘機(jī)系統(tǒng)變得更加實(shí)用,同時(shí)結(jié)構(gòu)更加簡單。

        2.1 負(fù)載敏感泵的選擇

        基于新型的LUDV 多路閥系統(tǒng),建立新型的液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng),該新挖掘機(jī)系統(tǒng)選擇力士樂A11V260 系列泵作為液壓正鏟的主要?jiǎng)恿υ?,為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力,液壓泵的控制方式選擇LRDS 控制方式的的變量泵,該控制方式具有負(fù)載敏感-壓力切斷-恒功率控制等功能[7],可以滿足液壓挖掘機(jī)各種復(fù)雜工作的要求。該泵同時(shí)還具有節(jié)能、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、防止壓力過高導(dǎo)致安全事故等優(yōu)點(diǎn)。

        負(fù)載敏感是一種流量控制,根據(jù)負(fù)載敏感閥LS口反饋至泵的負(fù)載閥的調(diào)節(jié)口,負(fù)載壓力,調(diào)節(jié)泵的排量,使泵的排量與執(zhí)行器的流量相適應(yīng)[8]。當(dāng)執(zhí)行元件不工作時(shí),換向閥不換向,LS 壓力不反饋至泵的控制口,泵小排量運(yùn)行,當(dāng)執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí),LS 壓力反饋至泵的控制口,泵根據(jù)按需提供對應(yīng)的流量。

        恒功率控制是控制斜盤擺角度滿足壓力、流量的乘積即功率保持恒定,具體原理是壓力增加,流量相匹配的較少,形成壓力、流量1 個(gè)增加1 個(gè)減少的匹配線性關(guān)系,從而保證功率是恒定的??梢员WC當(dāng)壓力過高時(shí),不會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī),同時(shí)可以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

        壓力切斷控制是防止液壓系統(tǒng)壓力過高,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載壓力到達(dá)泵設(shè)定的壓力切斷數(shù)值時(shí),壓力切斷閥左位導(dǎo)通,此時(shí)排量減少,較少到幾乎為0(泵體會(huì)有少許排量以滿足泵本身的內(nèi)泄漏)時(shí),泵處于恒壓狀態(tài),系統(tǒng)壓力不會(huì)隨負(fù)載而繼續(xù)提高了,這樣實(shí)現(xiàn)了壓力切斷,從而防止壓力進(jìn)一步提高,保護(hù)系統(tǒng)的安全。此時(shí),泵的排量很小,與傳統(tǒng)的閥控溢流系統(tǒng)(大流量溢流)相比,該系統(tǒng)的產(chǎn)熱量較小,液壓系統(tǒng)油溫升高不明顯,系統(tǒng)更加可靠,同時(shí)更加節(jié)約能源。

        2.2 負(fù)載敏感比例多路閥的選擇

        選用力士樂M7-22 系列負(fù)載敏感閥,該閥內(nèi)設(shè)有二次壓力安全閥、流量負(fù)載壓力補(bǔ)償器,具有重復(fù)精度高、滯環(huán)低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí),液壓比例控制器可通過閥芯行程限位進(jìn)行流量調(diào)節(jié)[9-10]。選擇合適的平衡閥等控制元件以及行走馬達(dá)、回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)、液壓油缸等執(zhí)行元件以及液壓附件等搭建基于LUDV 系統(tǒng)的新型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。

        3 結(jié)語

        基于A11VO 系列負(fù)載敏感泵和M7-22 系列負(fù)載敏感多路閥組合使用,搭建了基于負(fù)載敏感的液壓挖掘機(jī)閥后壓力補(bǔ)償流量分配系統(tǒng),并對此套液壓系統(tǒng)在改造的液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。采用閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)多個(gè)動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作時(shí),更加平穩(wěn),液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作時(shí),沒有出現(xiàn)負(fù)載較大執(zhí)行元件動(dòng)作停止不動(dòng)現(xiàn)象。因此,基于LUVD 系統(tǒng)的新型液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的LS 系統(tǒng)相比,在實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行元件同時(shí)工作時(shí)而不受負(fù)載影響的同時(shí)LUDV 系統(tǒng)具有更好的抗流量飽和特性。

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